基于FLAC3D軟土路堤穩(wěn)定性分析

熊平華,趙其華,陳繼彬

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川成都610059;2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,四川成都610059)

0 引 言

工程建設中,經(jīng)常會遇到軟土地基的情況,軟土具有天然含水率大、孔隙比大、抗剪強度低,壓縮性高和強度低等特點,在軟土地基上修筑路堤往往會發(fā)生沉降、塌陷、側向位移等病害,在工程史上有過很多軟土地基上路堤失穩(wěn)的事例[1-2]。因此軟土路基的穩(wěn)定性問題是工程建設的一個重要問題。

分析軟土路堤穩(wěn)定性方法很多[3-5],目前廣泛采用的計算方法是以瑞典法、Bishop法為代表的極限平衡法。隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬路堤穩(wěn)定性成為主流。而采用FLAC3D數(shù)值模擬分析相對較少,本文結合四川省遂資眉高速公路軟基監(jiān)測項目,應用FLAC3D強度折減法分析模擬路堤填筑高度超出極限高度后的穩(wěn)定情況,計算其穩(wěn)定安全系數(shù),并與簡化Bishop法對比,判斷FLAC3D強度折減法分析模擬效果。

1 工程概況

四川省遂資眉高速公路遂寧至資陽段工程項目,為《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中東西向第二條橫線的重要組成部分,是連接次級交通樞紐城市遂寧、交通節(jié)點城市資陽的重點通道。路段全長約124.866 km,設計時速為80 km/h,路基寬度24.5 m,公路沿線途經(jīng)許多軟弱地基,路堤穩(wěn)定性是該工程建設中的一個重要問題。

本文對遂資高速TJ1-3工區(qū)里程樁號K16+425～K16+660段進行穩(wěn)定性分析,路堤填方高度為8 m,填土為泥砂巖,路堤頂寬24.5 m,路堤采用1∶1.5坡率。該段路基全幅經(jīng)過丘間谷地,根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù),結合頂、底板巖性特征,地表淺部的軟土由上至下可大致劃分為三層:第一層為表土層,地下水位埋深一般為1～3 m;第二層為軟土層,原地面下的第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)低液限粘土,深度10 m,沿線路方向軟基在山包之間間隔分布;第三層為底土層,巖性為較密實的泥巖或砂層。

2 路堤穩(wěn)定性計算

2.1 極限高度計算

軟土地基上填土的極限高度常規(guī)的計算方法是由日本宮川提出的簡單方法,采用下式估算[6-8]:

式中:Hc為極限高度;c為軟土的快剪內(nèi)聚力;γ為填土的重度;Ns為穩(wěn)定因數(shù),對于深厚軟土地基,Ns=5.52。

根據(jù)前期勘察資料,研究斷面天然路基內(nèi)聚力c=18.2×103Pa、γ=20×103N/m3,得出極限填土高度Hc=5.02 m,故筆者從填土高度5 m開始對路堤每加載1 m分別進行路堤穩(wěn)定性分析。

2.2 FLAC3D數(shù)值模擬

FLAC是Fast Lagrangian Analysisof Continua(連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)的縮寫,是由美國的ITAS-CA咨詢集團公司1986年開發(fā)的計算軟件。由于FLAC方法在計算中使用了“混合離散化”(Mixed Discretization)技術,使用全過程動力運動方程,采用“顯式”差分求解方法,在某種程度上克服了有限元和離散元不能統(tǒng)一的矛盾,是目前世界上公認的較為合理的計算方法之一。

目前數(shù)值計算中廣泛采用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析,為計算安全系數(shù),首先按所給定土體的力學性質(zhì)參數(shù)粘結力 c和內(nèi)摩擦角φ進行數(shù)值分析,然后將土體的原始粘結力 c和內(nèi)摩擦角φ同時除以一折減系數(shù)K再次進行數(shù)值分析。通過不斷的增大折減系數(shù)K,反復分析直至邊坡達到臨界失穩(wěn)狀態(tài),此時的粘結力和內(nèi)摩擦角分別為c′和 φ′。因為此時邊坡處于臨界狀態(tài),故所對應的安全系數(shù)K′=1,故原始邊坡的安全系數(shù)為[9-10]:

2.2.1 模型建立

如前所述,路堤頂寬24.5 m,路堤采用1∶1.5坡率,路堤填土高度為8 m,計算網(wǎng)格豎向取地表以下到10 m,即軟基的厚度。10 m以下中風化泥巖為不可壓縮層,左右邊界在路基中心往外兩側60 m,縱向取1.5 m。路基兩側邊界條件為水平約束,下底面邊界條件為水平和豎向約束,模型的前后兩側邊界條件為法向約束。本次模型網(wǎng)格劃分2 120個單元,4 470個節(jié)點,(計算模型如圖1所示)。

圖1 計算模型及網(wǎng)格劃分

參數(shù)取值按照軟基處理過后巖土體的指標值,而體積模量B、剪切模量G無法直接通過試驗獲得,因此對于松散填筑土體、軟土體、泥巖需采用有關公式將壓縮模量轉化為變形模量;然后再利用下面的公式將變形模量轉化為剪切模量B和體積模量G:

式中:μ為土體泊松比;E0為土體變形模量;Es土體壓縮模量。

對施工過程中監(jiān)測的實測累計沉降和沉降速率進行參數(shù)反算,通過多次的模擬及調(diào)試,使其結果與實測值大致吻合,實現(xiàn)參數(shù)的及時調(diào)整和強度增長計算。得到土體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 路基各層物理力學參數(shù)

2.2.2 FLAC計算

FLAC3D中,邊界條件的定義并不是通常的位移邊界條件,而是速度邊界條件,即通過設定模型邊界節(jié)點的速度(通常設定為界節(jié)點某個方向速度為零)來實現(xiàn)位移邊界條件的控制,且不存在力邊界條件,模型內(nèi)的應力只能通過自身的應力重分布達到平衡[10],因此先對路基土形成的自重應力場進行計算,土體的本構單元采用摩爾-庫倫模型,路堤土從填筑高5 m始分級加載并計算穩(wěn)定安全系數(shù),在加載階段,各邊界條件速度都應設為零。

2.2.3 計算結果分析

根據(jù)圖1所建立的模型樣例,對填土高度(5 m～8 m)按每級1 m分級加載建立模型,分別輸入表1中不同巖土體參數(shù),得到不同填筑高度路堤的應力變形情況及安全系數(shù)(見圖2)。各個模擬過程的不平衡力收斂,表明建立模型和參數(shù)選擇較為合理。從圖中可以看出,塑性應變自堤趾到堤肩貫通,呈帶狀分布,隨著填土高度的加載,塑性區(qū)逐漸向路堤中部及路基深部發(fā)展,當路堤加載到8 m時,即此時路堤穩(wěn)定性最弱,塑性區(qū)在路堤頂部發(fā)展迅速,最大距路肩10 m,在地基處則發(fā)展較慢,且最大影響范圍在路基以下3 m內(nèi),從安全系數(shù)看出,路堤每加載1 m,穩(wěn)定性均降低8%～10%左右,根據(jù)模擬計算過程,數(shù)值計算得到的安全系數(shù)與網(wǎng)格劃分緊密相關,一般來說網(wǎng)格越密,精度越大。圖中彩色集中區(qū)為塑性應變帶即為相應的最危險潛在滑動面,呈圓弧形,符合均質(zhì)軟土地基的滑動模式。

圖2 不同填筑高度路堤剪切應變增量云圖及安全系數(shù)

2.3 簡化Bishop法計算路堤穩(wěn)定性

簡化Bishop法假定土體兩側作用力水平,即只考慮水平推力而不考慮豎向剪力,故安全系數(shù)為整個滑裂面的抗剪強度與實際剪應力之比,然后試算-迭代法求得路堤的最小安全系數(shù)。簡圖如圖3。

圖3 Fs計算圖示

采用北京理正邊坡穩(wěn)定分析軟件,對填土高度(5 m～8 m)分級加載1 m分別建立模型,各土層參數(shù)見表1,計算結果顯示當填筑高度H=5 m時,Fs=1.878;填筑高度 H=6 m時,Fs=1.668;填筑高度H=7 m時,Fs=1.517;填筑高度H=8 m時,Fs=1.403。隨著填土高度的增加,路堤穩(wěn)定安全系數(shù)降低7%～11%左右。

根據(jù)兩種路堤穩(wěn)定性計算方法路堤分級加載安全系數(shù)見表2。

表2 分級加載路堤安全系數(shù)

從表2可以看出,采用FLAC3D數(shù)值計算的穩(wěn)定安全系數(shù)比簡化Bishop法偏大15%左右,由于在路堤填筑過程中,豎向荷載不斷增大,采用FLAC3D計算時采用的是未擾動的土體彈性模量來確定初始應力場,但是實際施工過程中的擾動又使得彈性模量下降,下降值難以估算,故所得安全系數(shù)偏大;同時由于采用的是CU試驗參數(shù),也是其偏大的一個原因。

根據(jù)《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》[4]采用簡化Bishop法計算軟土路堤穩(wěn)定性時容許穩(wěn)定安全系數(shù)為1.4,簡化Bishop法計算結果顯示最小安全系數(shù)為1.403,路堤處于基本穩(wěn)定狀態(tài),這符合現(xiàn)場監(jiān)測反應的路堤穩(wěn)定狀態(tài);采用FLAC3D強度折減法計算得最小安全系數(shù)為1.62,容許穩(wěn)定安全系數(shù)較簡化Bishop法偏大15%左右,路堤每加載1 m,穩(wěn)定性均降低10%左右。

在計算過程中,簡化Bishop需要做一定的假定,無法完整得反映邊坡變形特征;數(shù)值分析方法則不需要做假定,能夠計算坡體每點的應力數(shù)值,根據(jù)廣義剪應變區(qū)域和塑性區(qū)域的聯(lián)通情況,判定坡體潛在滑裂面,是與實際情況比較接近的方法?；贔LAC3D數(shù)值分析,由于考慮了模型的邊界約束條件、初始地應力情況、巖土體的彈塑性變形及屈服,較剛體極限平衡完善,在具體工程中,邊坡應力變形狀態(tài)的綜合穩(wěn)定性分析遠比只給定安全系數(shù)更加重要。

3 結 論

(1)采用FLAC3D強度折減法,能模擬塑性區(qū)發(fā)展與破壞演化的過程,應力逐漸增大并集中在坡腳附近,塑性應變自堤趾到堤肩貫通,呈帶狀分布,隨填土高度的增加,塑性區(qū)在路堤頂部發(fā)展較快,在地基處發(fā)展則較慢,該塑性應變帶即為相應的最危險潛在滑動面,呈圓弧形,其符合均質(zhì)軟土地基的滑動模式;

(2)采用FLAC3D強度折減法計算得最小安全系數(shù)為1.62,容許穩(wěn)定安全系數(shù)較簡化Bishop法偏大15%左右,路堤每加載1 m,穩(wěn)定性均降低10%左右;

(3)基于FLAC3D強度折減法,由于考慮了模型的邊界約束條件、初始地應力情況、巖土體的彈塑性變形及屈服,較剛體極限平衡完善,在具體工程中,邊坡應力變形狀態(tài)的綜合穩(wěn)定性分析遠比只給定安全系數(shù)更加重要,是評估工程安全性的一種好方法。

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